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◎ 本報特約作者 郎建平，蘇州大學(xué)講席教授，國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（A類），蘇州大學(xué)學(xué)位評定委員會副主席    

北京時間10月8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2025年諾貝爾化學(xué)獎授予北川進(jìn)（Susumu Kitagawa，日本）、理查德·羅布森（Richard Robson，英國）和奧馬爾·亞基（Omar M. Yaghi，美國）3位科學(xué)家，以表彰他們“發(fā)展了金屬-有機框架（Metal-Organic Framework, MOF）”。諾貝爾化學(xué)獎委員會主席海納·林克評價道：“金屬有機框架具有巨大的潛力，為定制具有新功能的材料帶來了以前無法預(yù)見的機會?！?/span>    

受中國古代哲學(xué)家莊子思想啟發(fā)

金屬有機框架（Metal-Organic Framework, MOF）是一種由金屬離子或金屬團(tuán)簇與有機配體通過配位鍵自組裝形成的晶態(tài)多孔材料。它們的晶體結(jié)構(gòu)包含巨大的化學(xué)空間，氣體和其它化學(xué)物質(zhì)可以在其中自由流動。MOF的最大特點是其驚人的比表面積——僅僅一克材料的內(nèi)部表面積就能達(dá)到6000平方米，超過一個足球場的面積。這種多孔特性使MOF成為“會呼吸的材料”。     

在科學(xué)價值方面，MOF代表了分子工程學(xué)的重大突破。通過改變金屬離子和有機配體的組合，化學(xué)家可以像搭積木一樣，精確設(shè)計材料的孔徑和功能。這種可定制性使MOF成為化學(xué)領(lǐng)域的“萬能工具箱”，為材料科學(xué)帶來了前所未有的設(shè)計自由度。

理查德·羅布森（Richard Robson）教授在1989年將帶正電的銅離子與一個四連接有機分子結(jié)合，組織成一個秩序井然、充滿空腔的晶體結(jié)構(gòu)。就像鉆石中的碳原子一樣，它們形成了規(guī)整的晶體，但與致密鉆石不同，這種晶體含有大量孔道結(jié)構(gòu)。奧馬爾·亞基（Omar M. Yaghi）教授在1995年發(fā)表了兩種不同二維材料的結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)造了“MOF”這一名稱。然而，理查德·羅布森教授的結(jié)構(gòu)相當(dāng)脆弱，容易散架。許多化學(xué)家認(rèn)為它們毫無用處，但北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）教授和奧馬爾·亞基教授看到了這些發(fā)現(xiàn)的潛力。北川進(jìn)教授的科研生涯遵循著“無用之用”的原則。他年輕時閱讀諾貝爾獎得主湯川秀樹的著作，了解到中國古代哲學(xué)家莊子關(guān)于“無用之用”的思想。即使某物不能帶來直接的好處，但它仍可能被證明是有價值的。因此，當(dāng)北川進(jìn)教授開始研究多孔分子結(jié)構(gòu)，他并不認(rèn)為它們必須有立即可見的用途。1997年，北川進(jìn)教授取得了關(guān)鍵突破。他的研究小組使用鈷、鎳或鋅離子和4，4′-聯(lián)吡啶分子，創(chuàng)造出了具有開放通道的三維MOF。當(dāng)他們將其中一種材料徹底干燥后，它依然穩(wěn)定，并且可以吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣，而形狀保持不變。1999年，奧馬爾·亞基教授研發(fā)出MOF-5，這是一種極其穩(wěn)定且空間巨大的框架，獲得超過2000平方米每克的比表面積。以此為基礎(chǔ)，奧馬爾·亞基教授和北川進(jìn)教授等團(tuán)隊繼續(xù)擴展MOF家族，創(chuàng)造出數(shù)萬種變體，并應(yīng)用于氣體儲存和分離、催化、傳感、醫(yī)療和環(huán)境等各個方面。

MOFs就像用樂高積木搭建一個無限延伸的立體網(wǎng)格，其內(nèi)部是中空的就形成了無數(shù)的“房間”，它們提供了巨大的內(nèi)部表面積，僅僅幾克重的MOF材料，其內(nèi)表面積展開后可媲美一個足球場。

持續(xù)推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局深刻變革

MOF作為一類“分子級樂高”材料，并非僅局限于實驗室階段的創(chuàng)新性研究成果，已在解決人類面臨的多項重大挑戰(zhàn)性問題中展現(xiàn)出實際應(yīng)用價值，并為前沿高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展拓展了廣闊的應(yīng)用空間。

在水資源利用領(lǐng)域，極端干旱區(qū)域的地表水資源極度匱乏，而MOF可依托高效的空氣取水機制從空氣中選擇性吸附水分子，即便在沙漠等極端干旱環(huán)境下，仍能實現(xiàn)飲用水的穩(wěn)定制備，為水資源短缺地區(qū)的供水難題提供了創(chuàng)新性解決方案。在應(yīng)對氣候變化領(lǐng)域，MOF 發(fā)揮著關(guān)鍵支撐作用。其具備優(yōu)異的二氧化碳選擇性吸附性能，可高效捕獲電廠等工業(yè)排放源釋放的二氧化碳，吸附效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)碳捕獲材料，為推動“雙碳”目標(biāo)落地提供了重要技術(shù)路徑。

在環(huán)境治理領(lǐng)域，針對難降解污染物與抗生素殘留等關(guān)鍵治理難題，特定結(jié)構(gòu)的MOF可通過精準(zhǔn)的分子識別與篩分機制，實現(xiàn)此類污染物的高效去除，顯著提升水體凈化效果。在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，MOF更是扮演“多功能核心功能材料”的關(guān)鍵角色。

在能源領(lǐng)域，該領(lǐng)域長期受限于儲能與輸運技術(shù)瓶頸——例如，氫能汽車的氫存儲，傳統(tǒng)上依賴高壓儲氫罐，存在安全風(fēng)險與操作復(fù)雜度高的問題，而MOF可在常溫常壓條件下實現(xiàn)氫氣的高效存儲，同時能顯著提升天然氣輸運效率，為清潔能源規(guī)模化推廣奠定重要基礎(chǔ)。

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，基于MOF構(gòu)建的“納米藥物載體系統(tǒng)”具備精準(zhǔn)靶向遞送能力，可實現(xiàn)抗癌藥物向腫瘤細(xì)胞的靶向遞送與可控釋放，有效降低化療對正常細(xì)胞的毒副作用，顯著提升患者治療耐受性與生活質(zhì)量。

在高端制造領(lǐng)域，MOF的應(yīng)用價值同樣突出?；谌嵝訫OF構(gòu)建的傳感器件，一方面可通過吸附水果釋放的催熟氣體（如乙烯）延長農(nóng)產(chǎn)品保鮮周期，另一方面能在半導(dǎo)體制造環(huán)境中實現(xiàn)有毒氣體的實時檢測，保障生產(chǎn)環(huán)境安全。

從未來發(fā)展前景來看，MOF的應(yīng)用潛力仍有極大挖掘空間。其具備“按需定制”的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性，通過調(diào)控金屬中心節(jié)點與有機配體的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對材料孔徑尺寸、功能位點的精準(zhǔn)調(diào)控，進(jìn)而開發(fā)出適配環(huán)保、能源、生命健康等特定領(lǐng)域需求的專用功能材料，推動化工產(chǎn)業(yè)向綠色化、精準(zhǔn)化方向轉(zhuǎn)型。更值得關(guān)注的是，MOF的研發(fā)正與人工智能（AI）、超級計算等前沿技術(shù)深度融合，傳統(tǒng)研發(fā)周期長達(dá)數(shù)年的新型MOF材料，如今可通過計算輔助設(shè)計實現(xiàn)高效開發(fā)。綜上，MOF正逐步發(fā)展為21世紀(jì)科技進(jìn)步的標(biāo)志性功能材料之一，持續(xù)推動人類社會尤其是人類生活方式與產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局的深刻變革。

（本文編輯：朱廣清）